CN111613439A - 集成式功率模块和电容器模块的热学封装设计 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“集成式功率模块和电容器模块的热学封装设计”。一种集成式电容器和功率模块，其包括功率模块、中间冷板和电容器模块。所述中间冷板具有附接到所述功率模块的第一侧和与所述第一侧相对的第二侧。所述电容器模块附接到所述中间冷板的第二侧。所述电容器模块包括由金属板和基底冷板支撑的多个金属化薄膜电容器单元，其中热界面材料层位于所述金属板和所述基底冷板之间。流体循环系统可操作地连接到所述中间冷板以使流体循环通过所述冷板。所述电容器模块包括壳体、多个电容器单元以及第一汇流排和第二汇流排。交替单元阵列具有相对于彼此反转的P端和N端。

Description

集成式功率模块和电容器模块的热学封装设计
技术领域
本公开涉及集成式电容器和功率模块以及具有汇流排的电容器模块，所述汇流排连接相邻的单元阵列的相反取向的单元，并且还可以提供通往冷板的热路径。
背景技术
电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力车辆(PHEV)的开发目标是提高燃料效率以及减少CO2排放。这些类型的电动车辆可以包括牵引驱动逆变器系统，所述牵引驱动逆变器系统包括功率模块和电容器模块。提高燃料效率的一种方法是减小牵引驱动逆变器系统的尺寸并减轻其重量。但是，牵引驱动逆变器系统的持续小型化带来了部件(诸如功率模块和直流侧电容器)的机械集成和冷却设计的挑战。
发明内容
根据本公开的一个方面，公开了一种集成式电容器和功率模块，其包括功率模块、中间冷板和电容器模块。所述中间冷板具有附接到功率模块的第一侧和与第一侧相对的第二侧。电容器模块附接到中间冷板的第二侧。电容器模块包括由金属板和基底冷板支撑的多个金属化薄膜电容器单元，其中热界面材料层位于金属板和基底冷板之间。流体循环系统可操作地连接到中间冷板以使流体循环通过冷板。
根据本公开的另一方面，公开了一种电容器模块，其包括壳体、多个电容器单元以及第一汇流排和第二汇流排。电容器单元在壳体的基底板上以第一单元阵列和第二单元阵列对齐。第一单元阵列和第二单元阵列具有在每个单元上的P端和N端。相邻的第一单元阵列和第二单元阵列的P端和N端相对于彼此反转。第一汇流排具有在第一单元阵列下方直接接触每个单元的P端的第一下部、在第二单元阵列上方直接接触每个单元的P端的第一上部以及连接第一下部和第一上部的第一中间部分。第二汇流排具有在第二单元阵列下方直接接触每个单元的N端的第二下部、在第一单元阵列上方直接接触每个单元的N端的第二上部以及连接第二下部和第二上部的第二中间部分。第一汇流排和第二汇流排彼此电隔离。
根据本公开的另一方面，公开了一种电容器模块，其包括壳体、以若干线性阵列对齐的多个电容器单元以及N汇流排和P汇流排。壳体包括基底板，电容器单元在所述基底板上以若干线性阵列对齐。线性阵列具有每个单元的P端并且相邻线性阵列的每个单元的N端相对于彼此相反地取向。N汇流排接触若干线性阵列的电容器单元的N端。P汇流排接触若干线性阵列的电容器单元的P端。N汇流排包括连接相邻线性阵列的N端的N汇流排连接部分，并且P汇流排包括连接相邻线性阵列的P端的P汇流排连接部分。N汇流排和P汇流排彼此电隔离。
下面将参考附图描述本公开的以上方面和其他方面。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例制造的集成式功率模块和电容器模块的透视图。
图2是散热器、壳体的基底板和侧壁和多个电容器单元的示意性透视图。
图3是设置在没有任何电容器单元的壳体中的P汇流排的示意性透视图。
图4是设置在具有以线性阵列布置的电容器单元(其中交替行相反地取向)的壳体中的P汇流排的示意性透视图。
图5是设置在没有任何电容器单元的壳体中的N汇流排的示意性透视图。
图6是设置在具有以线性阵列布置的电容器单元(其中交替行相反地取向)的壳体中的N汇流排的示意性透视图。
图7是完全组装的电容器模块的示意性透视图，其中侧壁以虚线示出。
图8是具有三个散热热路径的电容器模块的示意性正视图。
图9是有三行单元设置在没有任何电容器单元的壳体中的电容器模块的P汇流排的示意性透视图。
图10是有三行单元设置在没有任何电容器单元的壳体中的电容器模块的N汇流排的示意性透视图。
图11是设置在具有以线性阵列布置的电容器单元(其中交替行相反地取向)的壳体中的P汇流排和N汇流排的示意性透视图。
具体实施方式
本文中描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示出的特征相组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实施方式所期望的。
直流侧电容器可以连接在多个汇流排之间。直流侧电容器的主要功能包括吸收由逆变器或由电源产生的纹波电流以及使用于逆变器控制的直流侧电压稳定。具有各种配置的薄膜电容器广泛用于直流侧电容器应用，在某些驱动条件下，所述电容器承受广泛的高纹波电流。
电容器热损耗是由介电材料由于纹波电流而自身加热产生或由电极系统的欧姆损耗产生。先进的技术已应用于薄膜电容器设计，以提高在给定的额定电压下以较小的体积封装更多电容的能力。但是，这导致更高的热损耗密度。
对于常规的直流侧电容器设计，电容器模块通常由各个薄膜单元(金属化聚丙烯)组成，这些薄膜单元被封装在工程塑料壳体中，用灌封树脂进行薄膜单元的电绝缘、机械和防潮保护。电容器模块还可以包含用于将薄膜单元的端部连接到DC端子(P和N)的汇流排。
用于常规的直流侧电容器封装的热路径将来自单元中心的热量向上传递通过汇流排和灌封材料以通过对流传递到环境。热量也从单元中心向下传递通过汇流排，通过灌封材料和壳体，并通过自然对流传递到周围环境。
一个挑战是对于电容器单元、灌封材料和壳体材料来说导热性低，从而导致沿热路径的热阻较高。为了满足热性能要求，可能选择具有增大的尺寸的电容器，其中模块表面积更大，这导致尺寸过大和冷却效率低，因为随着电容器尺寸的增大，热路径变得更长。
此外，直流侧电容器端子连接到逆变器功率模块。电容器模块应放置成尽可能靠近功率模块以使寄生电感最小化。功率模块的操作温度可以高达150摄氏度，而电容器模块的最高允许温度通常低于105摄氏度。相当多的热能可能会从功率模块传递到电容器端子，从而导致电容器单元的额外加热。
图1示出了集成式功率和电容器模块10的一个实施例，所述集成功率和电容器模块10包括电容器模块12、功率模块14和中间冷板16。冷板16在第一侧18上附接到电容器模块部分12，并且在相反取向的第二侧20上附接到功率模块14。冷板16限定内部冷却剂通道22，所述内部冷却剂通道22从冷却剂入口通道24接收冷却剂流体，并将冷却剂流体通过冷却剂出口通道26返回到冷却剂循环系统28。
电容器模块12、功率模块14和中间冷板16包括用于接收紧固件32的多个紧固件凸台30。
图2示出了电容器模块12和冷板34。冷板34可以是实心板，或者可以包括内部冷却剂通道，如图1所示的中间冷板16。冷板34可以与冷板16组合设置，或者可以被设置为没有冷板16。电容器模块12包括以电容器单元36的两个线性阵列布置的多个金属化薄膜电容器单元36。电容器单元36由铜基底板38支撑。如果需要，铜基底板38可以替代地由不同金属制成。基底板38与以虚线示出的多个塑料侧壁42组合形成壳体40的一部分。壳体40被支撑在冷板34上。
参考图3和图4，示出了电容器模块12包括P汇流排46，其中电容器单元38在图4中示出并且从图3中省略以使可见性更佳。P汇流排46包括通过中间部分52(或连接部分)连接的下部48和上部50。每个电容器单元38的P端54与P汇流排46的下部48或P汇流排46的上部50接触。中间部分52在第一单元阵列56和相邻的第二单元阵列58之间延伸，并且电连接下部48和上部50。如图4所示，第一单元阵列56具有与P汇流排46的上部50接触的P端54，并且第二单元阵列58具有与P汇流排46的下部48接触的P端54。
参考图5和图6，示出了电容器模块12包括N汇流排60，其中电容器单元38在图6中示出并且从图5中省略。N汇流排60包括通过中间部分66(或连接部分)连接的下部62和上部64。每个电容器单元38的N端68与N汇流排60的下部62或N汇流排60的上部64接触。中间部分66在第一单元阵列56和相邻的第二单元阵列58之间延伸，并且电连接下部62和上部64。如图6所示，第一单元阵列56具有与N汇流排60的上部64接触的N端68，并且第二单元阵列58具有与N汇流排60的下部62接触的N端68。
参考图7，示出了电容器模块12，其中P汇流排46和N汇流排60被组装到基底板40上，其中电容器单元38位于汇流排46和60的相应的上部50和64与下部48和62之间。P端子70和N端子72连接到P汇流排46和N汇流排60并且被提供以将电容器模块连接到功率模块14。如图8所示，端子70、72在靠近下冷板34和功率模块14(如图1所示)处设置在电容器单元38的底部上。来自功率模块14和电容器模块12的热量从端子70、72传递到下冷板34。
参考图8，示意性地示出了用于冷却电容器单元38的三个热路径。在第一热路径中，热量从电容器单元38向上传导，通过汇流排46或60中的一者，通过灌封材料74并且到达电容器模块12上方的环境空气。在第二热路径中，热量从电容器单元38向下传导，依次通过基底板40、热界面材料36、下冷板34到达环境。在第三热路径中，从功率模块14接收的热量通过端子70和72，并且依次通过P汇流排46和N汇流排60。
参考图9，电容器模块80的替代实施例包括电容器单元38的3个线性阵列。参考图1至图8的实施例使用的相同附图标记用于识别图9至图11的实施例的类似部分。电容器模块80包括P汇流排82。P汇流排82包括通过中间部分88连接的两个下部84和一个上部86。每个电容器单元38的P端90与P汇流排82的下部84或P汇流排82的上部86接触。P端子94设置在汇流排82的上部86上。
参考图10，电容器模块80的替代实施例包括N汇流排96。N汇流排96包括通过中间部分102连接的一个下部98和两个上部100。每个电容器单元38的N端104与N汇流排96的下部98或N汇流排96的上部100接触。N端子106设置在N汇流排96的上部100上。
参考图11，示出了电容器模块80，其中P汇流排82、N汇流排96和电容器单元38的三个线性阵列安装在壳体108中，所述壳体108被示出为侧壁110中的一些以虚线表示并且基底壁112支撑电容器单元38。P端子94和N端子106从壳体108的上区域向外延伸。虽然在图9至图11中示出了电容器单元38的三个线性阵列，但是应当理解，可以提供任何数量的线性阵列，这取决于电容器单元38的期望数量。
在说明书中所使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术实施方式的优点或相比其他实施例或现有技术实施方式是优选的，但是，本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实施方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种集成式电容器和功率模块，其具有：功率模块；中间冷板，其具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，所述第一侧附接到功率模块；电容器模块，其附接到中间冷板的第二侧，其中电容器模块包括由金属板和基底冷板支撑的多个金属化薄膜电容器单元，其中热界面材料层位于金属板和基底冷板之间；以及流体循环系统，其可操作地连接到中间冷板而使流体循环通过冷板。
根据一个实施例，流体循环系统包括入口冷却通道和出口冷却通道，所述入口冷却通道和出口冷却通道延伸穿过功率模块并且连接到由中间冷板限定的内部冷却剂流动通道。
根据一个实施例，金属板是铜板。
根据一个实施例，电容器模块、中间冷板和功率模块一起限定多个紧固件接收凸台，其中多个紧固件各自被接收在所述紧固件接收凸台中的一个中。
根据一个实施例，本发明的特征还在于电容器模块的壳体，所述壳体包括金属板和由塑料制成的多个侧板。
根据本发明，提供了一种电容器模块，其具有：壳体；在壳体的基底板上以第一单元阵列和第二单元阵列对齐的多个电容器单元，其中第一单元阵列和第二单元阵列具有每个单元的P端和每个单元的N端，并且其中相邻的第一单元阵列和第二单元阵列的P端和N端相对于彼此反转；第一汇流排，其具有在第一单元阵列下方直接接触每个单元的P端的第一下部、在第二单元阵列上方直接接触每个单元的P端的第一上部和连接第一下部和第一上部的第一中间部分；以及第二汇流排，其具有在第二单元阵列下方直接接触每个单元的N端的第二下部、在第一单元阵列上方直接接触每个单元的N端的第二上部和连接第二下部和第二上部的第二中间部分，其中第一汇流排和第二汇流排彼此电隔离。
根据一个实施例，本发明的特征还在于连接到第一汇流排的P端子和连接到第二汇流排的N端子。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：散热器；以及设置在散热器和基底板之间的热界面材料。
根据一个实施例，基底板是铜。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：在与第二单元阵列相邻的第三单元阵列下方直接接触每个单元的P端的第一汇流排的第三下部和将第三下部连接到第二上部的第三中间部分；以及在第三单元阵列上方直接接触每个单元的N端的第二汇流排的第三上部和连接第二下部和第三上部的第四中间部分。
根据一个实施例，第一汇流排和第二汇流排在第一单元阵列和第二单元阵列之间提供通往基底板的热路径。
根据一个实施例，本发明的特征还在于设置在第一汇流排的第一下部和第二汇流排的第二下部下方的冷板，其中热界面材料层设置在第一下部和第二下部与冷板之间。
根据本发明，提供了一种电容器模块，所述电容器模块具有：壳体，其包括基底板；在基底板上以若干线性阵列对齐的多个电容器单元，其中线性阵列具有每个单元的P端和每个单元的N端，并且其中相邻线性阵列的每个单元的P端和每个单元的N端相对于彼此相反地取向；N汇流排，其接触若干线性阵列的电容器单元的N端；以及P汇流排，其接触若干线性阵列的电容器单元的P端，其中N汇流排包括连接相邻线性阵列的N端的N汇流排连接部分，并且P汇流排包括连接相邻线性阵列的P端的P汇流排连接部分，并且其中N汇流排和P汇流排彼此电隔离。
根据一个实施例，本发明的特征还在于连接到P汇流排的P端子和连接到N汇流排的N端子。
根据一个实施例，P汇流排包括直接接触奇数编号的线性阵列中的每个单元的P端的下P接触表面并且包括直接接触偶数编号的线性阵列中的每个单元的P端的上P接触表面，并且N汇流排包括直接接触奇数编号的线性阵列中的每个单元的N端的下N接触表面并且包括直接接触偶数编号的线性阵列中的每个单元的N端的上N接触表面。
根据一个实施例，本发明的特征还在于连接到P汇流排的P端子和连接到N汇流排的N端子。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：冷板；以及设置在冷板和基底板之间的热界面材料。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：冷板，其具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，所述第一侧组装到功率模块；电容器模块，其组装到冷板的第二侧；以及流体循环系统，其可操作地连接到冷板，以使流体循环通过冷板。
根据一个实施例，本发明的特征还在于设置在电容器模块和功率模块之间的中间冷板，所述中间冷板具有流体循环系统，所述流体循环系统包括入口冷却通道和出口冷却通道，所述入口冷却通道和出口冷却通道延伸穿过功率模块并连接到由中间冷板限定的内部冷却剂流动通道。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：基底冷板；以及设置在基底冷板和基底板之间的热界面材料。

Claims (15)

1.一种集成式电容器和功率模块，其包括：
功率模块；
中间冷板，所述中间冷板具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧附接到所述功率模块；
电容器模块，所述电容器模块附接到所述中间冷板的第二侧，其中所述电容器模块包括由金属板和基底冷板支撑的多个金属化薄膜电容器单元，其中热界面材料层位于所述金属板和所述基底冷板之间；以及
流体循环系统，所述流体循环系统可操作地连接到所述中间冷板而使流体循环通过所述冷板。
2.如权利要求1所述的集成式电容器和功率模块，其中所述流体循环系统包括入口冷却通道和出口冷却通道，所述入口冷却通道和所述出口冷却通道延伸穿过所述功率模块并且连接到由所述中间冷板限定的内部冷却剂流动通道。
3.如权利要求1所述的集成式电容器和功率模块，其中所述金属板是铜板。
4.如权利要求1所述的集成式电容器和功率模块，其中所述电容器模块、中间冷板和功率模块一起限定多个紧固件接收凸台，其中多个紧固件各自被接收在所述紧固件接收凸台中的一个中。
5.如权利要求1所述的集成式电容器和功率模块，其还包括：
所述电容器模块的壳体，所述壳体包括所述金属板和由塑料制成的多个侧板。
6.一种电容器模块，其包括：
壳体；
多个电容器单元，所述多个电容器单元在所述壳体的基底板上以第一单元阵列和第二单元阵列对齐，其中所述第一单元阵列和所述第二单元阵列具有每个单元的P端和每个单元的N端，并且其中相邻的第一单元阵列和第二单元阵列的所述P端和所述N端相对于彼此反转；
第一汇流排，所述第一汇流排具有在所述第一单元阵列下方直接接触每个单元的所述P端的第一下部、在所述第二单元阵列上方直接接触每个单元的所述P端的第一上部以及连接所述第一下部和所述第一上部的第一中间部分；以及
第二汇流排，所述第二汇流排具有在所述第二单元阵列下方直接接触每个单元的所述N端的第二下部、在所述第一单元阵列上方直接接触每个单元的所述N端的第二上部以及连接所述第二下部和所述第二上部的第二中间部分，其中所述第一汇流排和所述第二汇流排彼此电隔离。
7.如权利要求6所述的电容器模块，其还包括：
P端子，所述P端子连接到所述第一汇流排；以及
N端子，所述N端子连接到所述第二汇流排。
8.如权利要求6所述的电容器模块，其还包括：
散热器；以及
热界面材料，所述热界面材料设置在所述散热器和所述基底板之间。
9.如权利要求8所述的电容器模块，其中所述基底板是铜。
10.如权利要求6所述的电容器模块，其还包括：
所述第一汇流排的第三下部，所述第一汇流排的所述第三下部在与所述第二单元阵列相邻的第三单元阵列下方直接接触每个单元的所述P端；和第三中间部分，所述第三中间部分将所述第三下部连接到所述第二上部；以及
所述第二汇流排的第三上部，所述第二汇流排的所述第三上部在所述第三单元阵列上方直接接触每个单元的所述N端；和第四中间部分，所述第四中间部分连接所述第二下部和所述第三上部。
11.如权利要求6所述的电容器模块，其中所述第一汇流排和所述第二汇流排在所述第一单元阵列和所述第二单元阵列之间提供通往所述基底板的热路径。
12.如权利要求6所述的电容器模块，其还包括：
冷板，所述冷板设置在所述第一汇流排的所述第一下部和所述第二汇流排的所述第二下部下方，其中热界面材料层设置在所述第一下部和所述第二下部与所述冷板之间。
13.一种电容器模块，其包括：
壳体，所述壳体包括基底板；
多个电容器单元，所述多个电容器单元在所述基底板上以若干线性阵列对齐，其中所述线性阵列具有每个单元的P端和每个单元的N端，并且其中相邻的线性阵列的每个单元的所述P端和每个单元的所述N端相对于彼此相反地取向；
N汇流排，所述N汇流排接触所述若干线性阵列的所述电容器单元的N端；以及
P汇流排，所述P汇流排接触所述若干线性阵列的所述电容器单元的P端，其中所述N汇流排包括连接相邻线性阵列的所述N端的N汇流排连接部分，并且所述P汇流排包括连接相邻线性阵列的所述P端的P汇流排连接部分，并且其中所述N汇流排和所述P汇流排彼此电隔离。
14.如权利要求13所述的电容器模块，其中所述P汇流排包括下P接触表面和上P接触表面，所述下P接触表面直接接触奇数编号的线性阵列中的每个单元的所述P端，所述上P接触表面直接接触偶数编号的线性阵列中的每个单元的所述P端，并且所述N汇流排包括下N接触表面和上N接触表面，所述下N接触表面直接接触奇数编号的线性阵列中的每个单元的所述N端，所述上N接触表面直接接触偶数编号的线性阵列中的每个单元的所述N端。
15.如权利要求13所述的电容器模块，其与功率模块组合，还包括：
冷板，所述冷板具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧组装到所述功率模块；
电容器模块，所述电容器模块组装到所述冷板的第二侧；以及
流体循环系统，所述流体循环系统可操作地连接到所述冷板以使流体循环通过所述冷板。
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